高功率放大器(HPA)基础知识.docx

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1、用途及特点
在无线通信系统，高功放〔HPA〕是发信电路重要组成部份。通常，它由多级放大器构成， 其输出端是放射链路最高电平点，它经双工器与放射天线连接。
HPA 在发信电路部位如图 1 所示。
高功放主要作用，是在放射频率上，将低电平信号放大到远距离传输所要求的高功率电平。 因频段、传输距离、天线增益、信号调制方式等因素，不同放射机HPA 输出功率差异甚大。在常用微波频段〔800MHz~28GHz〕可从几十瓦到几十毫瓦不等。
高功放电路特点：
在大容量〔或多载波〕数字通信系统，设计HPA 电路尤其是末级电路，常发生大功率输出与线性要求之间冲突。常常承受三种解决方法
承受平衡放大电路，其合成输出功率较单管增加一倍且保持单管线性。在常用微波频段常常用 以下图所示正交混合电路〔或 3dB 桥〕实现功率合成。
承受预失真补偿电路，设计一个预失真网络使它产生的三阶互调与 HPA 三阶互调在输出合路器中相互抵消。构成方式如以下图所示，
予失真补偿电路设计简单、带宽窄，使用不普遍。
*在 HPA 前级设置自动电平掌握〔ALC〕电路，通过末级输出耦合检波直流，掌握PIN 衰耗，保持输出功率恒定。防止因前级输入电平过高因饱和失真。该方法只能予防失真而不能改善失真，
〔注：ALC 与大容量长距离数字微波承受的 ATPC 不同，前者是以保持放射机输出功率恒定，防止失真为目的，承受的是开环掌握方式。而自动放射功率掌握〔ATPC〕是放射机功率受控于对端 接收电平，当电波传播发生深度平衰落时，提高放射功率，最大可到达额定功率。在正常传输时 间里使放射功率小于额定功率 10dB。承受的是闭环掌握方式。是以减轻干扰、抗平衰落为目的。〕
HPA 承受的大功率器件都呈现极低的输入、输出阻抗，其阻抗实部确定值很小，都在 1~3 欧姆左右，而容抗和引线电感很大。对这样的大功率器件进展输入、输出和级间匹配格外困难。 因单片微波集成电路〔MMIC〕技术的进展，很多厂家已制造出输入输出内匹配的大功率器件，大大地缓解设计难度。
HPA 输出级必需要考虑空载保护。假设与输出负载间发生严峻失配〔如，连接天线馈线开路或短路〕末级与输出负载电路之间将产生大驻波电压，驻波峰值电压一旦落在器件漏极，它与供 电电压迭加将使器件击穿。
在微波频段常实行二种保护方法，在 4GHz 以上频段借助于输出隔离器中的反向吸取负载 R 吸取反射波，它如以下图所示，
在低频段常用定向耦合器〔Diectional coupler〕检测反射波，超出定值时自动切断功放电源并发出告警。工作示意图如下
设计工程师可依据工作频率、电路构造选取分布参数或集中参数定向耦合器。
〔注：定向耦合器是互易器件，当信号从原规定的“IN”口输入改为“OUT”口输入时，其耦合 口“COUP”和隔离口“ISO”也将互换。定向耦合器常用二个参数表征如下：
耦合量 CdB = 10log(Pco/Pin)
方向性 DdB = 10log(Pco/Pis)
其中 Pin , Pco , Pio 分别为入口输入功率、耦合口及隔离口输出功率。〕
目前在 HPA 电路常用高频大功率砷化镓场效应晶体管〔GaAsFET〕或者用其管芯制作的MMIC“放大块”，开关机时，如栅偏压稍迟后于漏压或无栅压时即会损坏。因而偏置电路要有保 护措施，以下图为保护措施之一。
依据所用器件，高功放大致可分成三种类型：
硅双极晶体管〔Si Bipolar Transistor〕功率放大器。在大功率放大时，单管增益及效率低， 带宽窄，线性及反向隔离差，它通常用于 3GHz 以下频段，其优点是廉价和不需负偏压。但目前已渐渐被场效应晶体管功放所代替。
砷化镓场效应晶体管〔GaAs Field-Effect Transistor〕功率放大器。它包括由砷化镓场效应晶体管管芯制成的内匹配单片微波集成电路〔MMIC〕。这类器件工作频率及效率高，线性及反向 隔离性能都优于硅双极晶体管，目前商用化器件最高工作频率可达 40GHz,试验室可达 80GHz。尤其内匹配 MMIC 集成功放块带宽宽、稳定得到普遍应用。需要负偏置及偏置保护电路是缺点。
*砷化镓异结质双极晶体管〔GaAs Heterojunction Bipolar Transistor〕功率放大器。这种器件特别适宜功放应用，它有砷化镓场效应晶体管一样好的性能〔特别在线性和高耐压性能上更好 些〕，同时它又抑制了需要负偏置及偏置保护电路的缺点。它进展历史较短〔走出试验室仅十年〕 在大功率应用牢靠性上人们还不放心。
2、电路构成及工作原理
高功放只是发信设备的一个组成局部，它的构成和功能完全取决于整个设备性能的要求。不 同用途的发信设备其具体电路构成和实现的功能会有差异。例如下面给出的 7GHz 微波放射机功放电路其输入为恒定电平，该电路不带 ALC 功能。
功能框图及主要电路组成如图 2 所示。
图 2 给出 7GHz 放射机功放框图和主要电路。
该电路由五级放大组成，前四级为单管串联放大，末级为平衡功率放大。按各级功能和所处 位置也可称作低噪声放大级、驱动级、末前级、末级。整个放大器承受二种封装工艺砷化镓场效 应器件，前三级放大用分立元件场效应晶体管，后二级用单片微波集成电路 MMIC，并承受带保护电路的双极性偏置电压〔具体电路省略〕。该电路总增益 40dB,线性输出 2 瓦〔33dBm〕。
各局部作用：
低噪声放大级- 众所周知，变频式放射机输出噪声主要成分是调相噪声，其主要来源是放射振荡器产生的相位噪声。所以在放射机指标中都要规定振荡器相噪，而对这类放射机中的 HPA 热噪声要求不高，通常 HPA 噪声系数在 6~ 8dB 时都可满足要求。在直放式放射机中，尽管输出噪声主要成分是热噪声，因直放机收信输入端都有细心设计的高增益低噪声放大器〔 LNA〕，它有足够高的增益和微小噪声系数，从而减轻了对 HPA 低噪声要求。
相对于接收机低噪声放大级而言，在 HPA 中提出低噪声放或许念似乎不恰当，但它到底是多级级联放大器输入级，是 HPA 本身热噪声的主要来源，相对 HPA 其他级而言，对 HPA 前级要提出低噪声高增益要求。
驱动级- 承受平衡式末级输出方案时，末前级输出功率与末级单管输出功率几乎相近，它为末前级供给足够地输入鼓励功率。驱动级通常承受中功率输出器件。
末前级- 末前级功放主要作用是补偿末级输入正交耦合器分路损耗〔3dB〕，并为二只并联末级功放管供给输入功率。
末级- 如图 2 所示，它承受二只一样特性的 MMIC 功率放大块和二只一样特性的正交耦合器组成平衡功率放大器。为取得良好性能，上、下二支路应当在工作频段保持幅度、相位特性一样。这 样构造的输出功放有三个特点，
较单管线性最大输出功率提高 3dB。
如以下图所示，利用输入端正交耦合器相位正交特性，使上、下二支路放大管入端反射波在正 交耦合器入口抵消，有效地改善了末级与末前级之间匹配。
那么，它从输出端口 2 和 4 反射到端口 1 的合成反射波为
Vref= (Vrsm/2) S11 e (-iω t+iΘ +180) + (Vrsm/2) S11 e (-iω t+iΘ )=0 ，
即说明，当正交耦合器输出端口 2 和 4 接一样负载时，返回到端口 1 的合成反射波抵消。实际电路不会抱负对称，合成反射波不会完全抵消，然而却能显著地改善末级与末前级之间匹配。
* 当某一 MMIC 放大块损坏时，另一放大块仍可正常工作〔仅功率较原先降低 6dB〕。
隔离器- 该器件输入、输出阻抗在很宽频带内等于特性阻抗，并且正向传输损耗很小〔 以下〕而反向传输损耗很大〔通常 25dB 以上〕，即有单向传输特性。它常用在多级高增益放大器的输入、输出、级间电路吸取反射波改善匹配，使带内正向传输特性〔如幅频特性、时 延特性〕更平坦，同时它又在很宽频带内产生反向损耗，减小后级对前级耦合，从而有效防止带内、带外自激。其中末级输出隔离器还肩负输出负载开路保护作用。
末级耦合输出-用于输出功率监测。
3、高功放电气特性
这里争论的高功放，它是具体放射机的一局部，对电气指标要求以及指标工程规定完全取决 于正机指标的规定和安排，它与商用说明书供用户选用参考的通用放大器所规定的指标和工程有 所不同。
工作频段-是指放大器满足或优于所规定的电气性能时，实际所要求的工作频率范围。〔注： 放大器是宽带部件，其 3dB 带宽较“工作频段”宽得多。〕
额定输出功率-在规定的输入电平和满足传输线性条件下，在规定的负载上所要求的输出 功率值。为满足工作温度变化，通常以常温值为标准规定上、下限，如 P+0dB-2dB 。输出功率是确定值，单位用W,mw,dBm,dBw 表示 。〔注：在测试放射机额定输出功率指标时，必需在调制状态下用功率计测试，而高功放应在工作载波状态下用频谱仪测试。〕
增益-放大信号输出与输入功率之比，它是相对量，通常用 dB 表示。通常在中心频率额定输出电平下测量。
幅频特性〔或带内波动〕-它定义为放大信号输出幅度随频率的变化量。它用工作频率范 围内最大输出幅度与最小幅度〔用 dB 单位〕差值表示。该差值即是用 dB 表示的放大器输出幅度随频率变化的峰-峰值。例如，要求带内波动小于等于 时，可表示为 Δ Ap-p≤。应指出，该指标不计入幅度随温度的变化量。当放大器件确定后，放大器幅频特性主要打算因素是
输入、输出、级间匹配特性。该参数利用矢量网络测量。
传输〔相对〕时延〔或传输相位特性〕-它定义为放大信号通过放大器所需要的传输时 间随频率的变化量。它用工作频率范围内最大传输时间与最小传输时间〔用 ns,μ s 单位〕差值表示。该差值即表示放大器传输〔相对〕时延峰-峰值。例如，要求带内(相对)时延小于等于 3ns 时，可表示为 Δ τ p-p≤3ns。应指出，该指标不计入时延随温度的变化量。当放大器件确定后，
时延主要打算输入、输出、级间电路匹配及电抗特性。
f
h
f
l
τ
min
τ
max
入信噪比与输出信噪比的比值，
Nf =(Si/Ni)/ (So/No) Nf dB=10log(Nf)
该参数利用矢量网络测量。
Δ τ p-p=3ns
噪声系数-定义输
(注-噪声系数另种表示方法〔它在卫星通信中常用〕，用噪声温度表示 Tn,单位 kelvin, 二者关系：Nf dB=10log(Tn/290+1) 。)
杂散放射〔Spurious emissions〕-尚未见到通用定义，具体定义及测试方法必需参照相应的技术标准。
例如，在英国邮电部〔MPT1407〕标准中，数字微波放射机杂散定义为：必要带宽以外 频率放射〔并且不包括由调制过程产生的必要带宽以外频率的放射〕，必要带宽定义为二倍的传输符号率。同时指明必需在载波状态下测量。
尽管各系统杂散放射定义有所差异，但下述概念全都
*杂散放射包括谐波放射、寄生〔自激〕放射、互调产物、变频产物，
*杂散放射值用规定的参考带宽内平均功率表示，
*用频谱仪测量。
功放是放射机一个部件，功放杂散放射测量频率范围及指标规定应由具体放射机安排而定。 功放杂散产物主要是寄生放射，建议在加载波和不加载波二种状态下测量。
互调失真-在工作频带二个或以上单音信号通过功放后，因放大器非线性在其输出端产生谐 涉及组合频率产物，用它衡量放大器线性。
通常用二个单音在额定输出电平测量。双音互调失真谱如以下图，通常二阶和三阶产物是主要成分 且距工作频带最近。
仅为了衡量通带内放大器线性且带宽小于一个倍频程时，常常将三阶互调和互调失真等同， 并只测三阶互调。当测一个系统的互调衰减时应依据所规定的测量频率范围对全部的互调产物测量。
用二个单音测量三阶互调时，可用二种方法表示互调失真， 用确定电平 Pim3 (dBm)
用相对电平 (IM3)dB=10log(P im3/P) (dBc)
假设知道输入信号功率 Pin 和放大器输出三阶截断点 OIP3 及增益 G，可求出三阶互调确定电平 Pim3=3〔Pin+G〕- 2OIP3 (dBm)
三阶互调相对电平 ( IM3)dB=-2{OIP3-〔Pin+G〕} (dBc)
应指出，上述公式是近似公式，仅用于选取放大器时参考。假设仅知道放大器 1dB 增益压缩点
P1dB，可近似估算 OIP3≈10+ P1dB 。多级放大器互调失真计算：
其中(IM3)1 ,......(IM3)n 为用功率比值表示的每级互调失真，(IM3)TOT 为总互调失真。当每级互调电压相位彼此无关时，用功率比值表示的总互调失真与每级关系
(IM3)TOT=(IM3)1+(IM3)2+. +(IM3)N
当每级互调电压相位同相时，用功率比值表示的总互调失真与每级关系
[(IM3)TOT]1/2=[(IM3)1]1/2+[(IM3)2]1/2+. +[(IM3)N]1/2
举例，三级放大器要求总互调失真 [ (IM3)TOT]dB=-52dBc,安排给第一级互调量占总互调 10% ,
其次级占总互调 20% ，末级占总互调 70% 。用二种方法计算每级互调失真。当认为每级互调电压相位彼此无关时，用前一公式得到
[ (IM3)1]dB=-, [ (IM3)2]dB=-, [ (IM3)1]dB=-,
当认为每级互调电压相位同相时，用后一公式得到
[ (IM3)1]dB=-, [ (IM3)2]dB=-, [ (IM3)1]dB=- 。
输入和输出驻波比 VSWR-放大器的VSWR 是放大器的实际阻抗离开所规定的阻抗 Z0 的量度，它可以由反射系数导出
ρ =(Z- Z0)/ (Z+ Z0)
VSWR=(1+︱ρ ︳)/ (1-︱ρ ︳) ,它的另种表示方法是反射〔回波〕损耗
ρ dB =20log︱ρ ︳ (dB)
放大器动态范围-动态范围有多种定义，经典定义有二种，线性动态范围定义和无杂散动态范围。 线性动态范围定义为放大器输入口最小可检测信号与放大器满足线性要求时最大输入电平之
间的差值。
无杂散动态范围定义为当放大器最小可检测输出电平与放大器输入等双音时在输出口产生的 互调相等时，放大器输入口最小可检测信号与放大器等双音输入电平差值。
上定义在放大器不常用，因 HPA 关心的是最大线性功率输出。
为设计者能依据所规定的最小检测电平计算放大器动态范围，往往给出 HPA 的 1 dB 压缩点输出功率 P1dB 〔或者 OIP3〕以及 噪声系数 Nf dB ，再比较计算动态范围。